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マキシムの可変RFプリディストーションICは、ワイヤレスおよび基地局アプリケーションに最適です。マキシムの閉ループRFプリディストータは、最も高い性能が必要とされる完全適応型歪み修正を実現するために「RFPAL」技術を使用しています。マキシムのオープンループRFプリディストータは、わずか数dBの修正のみ必要なアプリケーション向けに基本的な「設定するのみ」のマニュアル調整を提供しています。

RFPALの利点

あらゆるリニアライゼーションソリューションは、多数の要素によって全体的性能が決まります。マキシムのRFプリディストーションシステム実装(RFPAL)とバックオフで動作するソリューションを比較すると、非常に大きい性能上の利点が明らかになります。RFPALに0.4Wの追加の消費電力を「費やす」ことによって、見返りに最大4倍の効率向上が得られ、それに比例したシステム消費電力の低減が可能になります。さらに、リニアライゼーションによって、よりPSAT動作ポイントに近いPAの動作が可能になり、より小型で低コストのパワートランジスタを使用して所望の出力パワー目標を達成することができます。消費電力の改善による直接的な利点として年間運用コスト(電気)が低減するため、5W以上のアンテナ出力レベルの場合、比較的短期間でRFPALソリューションの初期コストを相殺することが可能です。下の例(表1)では、3倍の効率向上、67W以上のシステム電力低減、およびほぼ30ドルの年間運用コスト削減が示されており、システムの消費電力およびシステム効率の優位性は明白です。すべてのシステムが常に最大出力パワーで動作するわけではありませんが、電源容量とシステム冷却要件はワーストケースに備えて設計する必要があります。バックオフでの動作と比較したプリディストーションの見落とされがちな利点として、電源および冷却要素(ヒートシンク、ファンなど)に関連するサイズ/体積およびコストの大幅な低減があります。

Parameter RFPAL DPD Backoff Unit
Desired Max Antenna Pout (avg) 37 37 37 dBm
Component IL Between PA & antenna 2 2 2 dB
Final stage PA output power (Max antenna power - IL) 39 39 39 dBm
Final stage PA efficiency at 39 dBm (avg) 25.0% 27.0% 8.0%  
Linearizer power consumption 0.4 2.1 0 W
External DAC, ADC, up/down-converters, etc. power consumption 1 3.3 1  
Pre-amp + driver power consumption 1 1 1 W
Total power consumption (w/o) final stage PA) 2.4 6.4 2 W
System effeciency at MAX antenna POUT = 37 dBm 14.7% 14.0% 4.9%  
System power consumption at Max antenna POUT = 37 dBm 34.2 35.8 101.3 W
Cost of energy (cost per kWh) $0.05 $0.05 $0.05  
Yearly cost of operation per system $14.98 $15.70 $44.40  
Added yearly cost of operation compared to RFPAL   $0.72 $29.42  

表1. システム消費電力、効率、および年間運用コストの比較

図9. システム消費電力、効率、および年間運用コストの比較

RFPALとDPDを比較すると、この2つのソリューション間の重要な違いが明らかになります。たとえDPDがRFPALより優れた最終段のPA効率を提供しても(表1では2%上回っていますが、ほとんどの場合これよりはるかに小さい差です)、DPDの方が消費電力が大きいため、全体的なシステム効率は低くなります。アンテナ出力パワーレベルが10Wを下回って500mWに近づくと、全体的システム消費電力に占めるDPDの消費電力の割合が増大するため、RFPALによるシステム効率の向上が次第に大きくなります。RFPALは、DPDと同等の補正性能を備えながら、消費電力と効率の向上、複雑さの軽減、システムコストの削減、および小型実装面積を実現しているため、異種混合の配備の一部であるスモールセル設計に最適な選択肢です。

最後に、コスト面ならびにデジタルプロセッサが必要という本質的な理由からDPDでは対応することができない種類のアプリケーションが存在します。これらの市場には、アナログリモートラジオヘッド、パワーアンプモジュール、リピータおよびマイクロ波バックホールシステムがあります。マキシムのRFPALは、外部デジタル制御を必要としない適応型RFIN / RFOUTおよびスタンドアロンのリニアライゼーションソリューションです。図4aに示すデジタルポートはオプションで、通知機能が必要なアプリケーションで使用され、上記の市場では必要とされません。RFPALは統合が容易で、プリディストーションアルゴリズムの専門知識は不要であるため、バックオフでの動作に対する現時点で唯一の代替方式です。

マキシムのRFPALデバイスは、168~3600MHzでの動作、最大10dBのPAR、CDMAやWCDMAなどの静的平均電力波形、WiMAX、HSDPA、LTEなどの動的平均電力信号を必要とし、A/B級やドハティなどの幅広いPAを備え、LDMOS、GaN、GaAsなどの各種プロセス技術で実装されるセルラーアプリケーションに最適です。マキシムのRFPALは、-40℃~+100℃の広いケース温度範囲にわたって動作可能です。

セルラーインフラストラクチャアプリケーション以外に目を向けると、マキシムはマイクロ波無線および放送インフラストラクチャ市場にも製品を提供しています。たとえば、放送市場では、RFPALは600W以上の平均出力パワーで動作するDVB-T、ATSC、およびCMMBトランスミッタに内蔵されています。さらに、ホワイトスペース、軍用、公共安全など、RF信号のリニア増幅を必要とするあらゆるアプリケーションでマキシムのソリューションの利点を活用することができます。

RFプリディストーション(RFPD)とデジタルプリディストーション(DPD)の比較

マキシムのRFプリディストーション技術(別名アナログプリディストーション)とDPDは、どちらも振幅変調-振幅変調(AM-AM) /振幅変調-位相変調(AM-PM)歪み、相互変調、およびPAのメモリ効果を補正し、どちらもフィードバック情報を使って温度の変動とPAの経時劣化による減損を補正するという点で似ています。どちらの方式も基底の理論には類似性がありますが、その類似性は回路設計とシステムの実装にまでは及びません。デジタルプリディストーションシステムを構成する主な機能ブロックについては多数の記事やアプリケーションノートで説明されているため、ここではデジタルプリディストーションの動作原理については説明しません。このセクションでは、2つのアーキテクチャの主要な相違点およびRFプリディストーションの動作原理に話を絞ります。

マキシムのRFパワーリニアライザ(RFPAL)ファミリの詳細および内部動作に踏み込む前に、前後関係の基本的な説明をしておく必要があります。下の図4aは、RFPALを利用したPAシステムの高レベルのブロック図を示します。注目すべき点として、このRFPDに基づくリニアライザは適応型RFIN / RFOUTシステムで、リモートラジオヘッド、PAモジュール、およびデジタルプロセッサへの直接アクセスが不可能な任意のアプリケーションでスタンドアロン動作を可能にします。指向性カプラを使用して、リニアライザのRF入力(RFINおよびRFFB)を駆動します。次に、同じように指向性カプラを使用して補正信号(RFOUT)とPAの入力信号を組み合わせます。内部動作をさらに詳しく見ると、リニアライザはPAの出力信号を使用して、特定の平均/ピークパワーレベル、中心周波数、および信号帯域幅におけるPAのノンリニア特性を適応的に決定します。PAの出力からのこのフィードバック信号(RFFB)が周波数ドメインで分析され、適応コスト関数に使用されるスペクトル分解されたリニアリティの数値が生成されます。

図4a. RFPALシステムの実装のブロック図

図4a. RFPALシステムの実装のブロック図

図4bに示すように、リニアライザシステム全体(図4aの点線で囲まれた全部品を含む)を6.5cm2以下の小型PCB実装面積および低BOMで実現可能です。

図4b. プリント基板上のRFPALシステムの実装の写真

図4b. プリント基板上のRFPALシステムの実装の写真

RFPDの基本動作についての基礎が確立したあと、システムの実装について説明し、デジタルプリディストーション(DPD)と比較することができます。図5は、DPDがシグナルチェーンの最も初期のポイント(デジタルベースバンド)において帯域幅を拡張する(所望の信号にプリディストーション補正信号を追加する)ことを示します。次にその帯域幅拡張がトランスミッタチェーン全体を通して伝播され、フィードバック経路を介して再びデジタルベースバンドに戻されます。帯域幅拡張は、クロック速度の大幅な増大および拡張された帯域幅が必要になるためシステム全体の負担となり、システム消費電力の増大につながります。追加される複雑性としては、ジッタ性能を含む困難なクロックジェネレータの要件、マルチポール高周波再構成フィルタ、広帯域リニアアップミキサーなどが含まれます(これらに限りません)。

図5. デジタルプリディストーションシステムの実装(帯域幅30MHz、WCDMA、14ビットコンバータ)

DPDシステムの場合、アップコンバータ以降のフィルタの周波数応答は、所望の信号に加えてPAプリディストーションに必要な帯域幅拡張に対応する十分な広さが必要です。 残念なことに、DAC、アップコンバータなどによってフィルタの通過帯域内でノイズが生成されると、それらもPAによって増幅されます。大部分のアプリケーションでは、受信帯域に含まれるノイズを除去する唯一の方法は、PAの出力でフィルタリングすることです。 この方式で使用するフィルタのサイズ、コスト、および挿入損失は、設計要件に基づいて変化します。また、より厳しい除去の要件を満たすために、フィルタのコストが増大する可能性もあります。このフィルタで追加される挿入損失によって効率が低下するため、本来の所望の値と同じ出力パワーをアンテナで達成するためには、PAをより強力に駆動する必要があります。フィルタは、デジタルプリディストーションの使用によって達成された利点を部分的に無効化します。あるいは、より低ノイズのDACとアップコンバータを使用してPA後のフィルタ処理を不要にする方法もありますが、ノイズの大きい部品よりもコストと消費電流が増大します。消費電力の概算は、内蔵のDPD/DSP ASICおよび外付けのADC、DAC、ダウンコンバータ、クロックジェネレータ、およびパワーディテクタに基づいて計算されていることに注意してください。DUC、CFR、およびPAはDPDとRFPDの両方の実装に存在するため、消費電力の概算には含まれていません。

前述のように、スタンドアロンRFIN/RFOUTアーキテクチャおよび適応型RFプリディストーション技術を活用することによって、マキシムの集積化方式では必要なポイント(PAの入力)でのみ補正信号を注入することが可能になっています。この実装の利点を、図6に示します。クロックジェネレータ、再構成フィルタ、およびアップミキサーの要件がすべて緩和され、デジタルベースバンドからPAまでのトランスミッタチェーンの全部品は1倍の信号帯域幅で動作することができます。しかし、遠く離れた残留相互変調成分は容易に除去可能なため、リニアライザはシステム設計や消費電力を犠牲にすることなく5倍以上の信号帯域幅で動作可能です。RFPALデバイスの総プリディストーション帯域幅は約250MHzで、20MHzの瞬時帯域幅 (所望の信号)に対して最大11次のIMまで、または50MHzの瞬時帯域幅に対して最大5次のIMまでの補正が可能です。さらに、RFPDに基づくシステムはPAの前に狭帯域フィルタのみを必要とするため、DACおよびアップコンバータのノイズ要件が緩和され、PAの出力での高コストなフィルタ処理が不要です。RFPDの実装には必要ありませんが、RFPALデバイスは全RFFBフィードバック経路も内蔵しているため、全体的なシステム設計が大幅に簡素化され、帯域幅拡張の影響を受ける能動部品がPAとリニアライザ自体のみに限定されます。これらの利点は超低消費電力につながり、大幅に簡素化された、低コストのトランスミッタおよびベースバンドアーキテクチャが実現します。

図6. RFプリディストーションシステムの実装(帯域幅30MHz、WCDMA、14ビットコンバータ)

上記の例では、RFPDの実装はDPDの実装より消費電力が4W少なくなります。マクロセル設計では消費電力の差は重要な問題ではないかも知れませんが、マイクロセル、ピコセル、および企業用フェムトセルの設計では、RFPD対応設計による消費電力削減、システムコスト削減、および実装面積の小型化が重要な要素になります。最後に、マキシムのRFPALデバイスは順方向/逆方向の電力測定および温度とスペクトルマスクの監視機能を提供するオプションの機能を内蔵しているため、システムの実装がさらに簡素化されます。

プリディストーション手法とバックオフでの動作の比較

パワーアンプ(PA)の入力にマルチトーン信号が印加されると、PAは所望の信号を増幅するのと同時に、不要な相互変調(IM)項も生成します(図1a)。このノンリニアな歪みはPAが飽和点に近づくとともに増大し、動作条件に基づいて、またPAごとに性質が変化します。PAの出力で(プリディストーションなしに)所望のリニアリティを達成するためには、飽和点からの大幅なバックオフを設けてPAを動作させる必要があります(図2aのPSAT(3dB))。バックオフでの動作では、PAの最大出力パワーレベルを低減し、信号全体がPAの伝達曲線のリニアな領域に入るようにする必要があります。しかし、PAの動作ポイントが飽和点を大幅に下回ると、PAの効率(DC電源のパワーをRFエネルギーに変換するPAの能力)は低下します(図1b)。信号のピーク-平均電力比(PAR)、およびシステムのリニアリティ要件を満たすために必要な追加のバックオフに対応するために、AB級PAでは効率が8%以下になることも珍しくありません。

図1a. PAによって生成される相互変調項

図1a. PAによって生成される相互変調項

図1b. 出力パワー、効率、および歪みの関係

20W以下の平均パワーを送信するA/AB級PAの場合、最も一般的なリニアライゼーション方式は圧倒的にバックオフでの動作であることを考えると、アクティブリニアライゼーションはこれらのアプリケーションに対して非常に魅力的な利点を提供することができます。デジタルプリディストーション(DPD)やRFプリディストーション(RFPD)を含むアクティブリニアライゼーション手法は、トランスミッタがPSAT - PAR動作ポイントの近くまたは若干それを上回る位置で動作することを可能にします(図2b)。どちらも、PAの出力での全体的な歪みを低減するために、PAの入力で補正信号を注入するプリディストーション手法を使用します(図3aおよび図3b)。

補足:信号のクリッピング量の増大にともなって情報の復元が困難に(あるいは不可能にさえ)なるため、ピークがPAの飽和点を大幅に超える信号の補正はどのプリディストーションソリューションにもできないことに注意してください。飽和点を超えてPAを動作させるかどうかはシステム設計上の判断であり、たとえば隣接チャネル漏洩電力比(ACLR)の仕様に対するマージン、スペクトル放射マスク(SEM)の仕様、および/またはエラーベクトル振幅(EVM)の要件を含む、多数の要素に基づいて決める必要があります。

図2a. プリディストーションなしでのPAのリニアライズされていない性能(バックオフでの動作)

図2a. プリディストーションなしでのPAのリニアライズされていない性能(バックオフでの動作)

図2b. プリディストーションをイネーブルしたPAのリニアライズされた性能

図2b. プリディストーションをイネーブルしたPAのリニアライズされた性能

図3a. リニアライゼーションなしのPA出力特性

図3a. リニアライゼーションなしのPA出力特性

図3b. プリディストーションリニアライゼーションありのPA出力特性

図3b. プリディストーションリニアライゼーションありのPA出力特性

アクティブリニアライゼーションを使用すると、AB級PAは3dB~6dBの追加の(リニアライズされた)出力パワーを達成し、効率を2倍~4倍に向上させることができます。バックオフでの動作と比較して、アクティブリニアライゼーションでは最終段のアンプ、電源、冷却要素、および運用コストを半分以下に低減することが可能です。マキシムのRF PAリニアライザ効率計算器を使用すると、平均出力パワーが最も低いA/AB級PA以外のすべての場合で、電気使用量の減少のみによって2年以内の運用期間でプリディストーションソリューションのコストを容易に取り戻せることが明白に示されます。PAデバイスコストの削減、電源コストの削減、および冷却コストの削減という追加の利点を考えると、プリディストーションは非常に魅力的な価格を提案します。

LTEや広帯域マルチキャリア/マルチプロトコルシステムなどの広い信号帯域幅を必要とするシステムでは、適用するバックオフの量に関係なくPAが所望のリニアリティに到達することができない場合、アクティブリニアライゼーションが唯一の選択肢となります。これらのシステムでは、電磁放射規制の試験に合格しプロジェクトの要件を満たすためにアクティブリニアライゼーションが要求されます。

最後に、効率の向上(A/AB級PAを使用して達成可能な効率を上回るもの)が必要なシステムは、ドハティ構成などのより高度なPAの回路構成を使用します。これらの高度な回路構成は、プリディストーションソリューションによってシステムのリニアリティ要件を満たします。

RFプリディストーション(RFPD)の動作原理

RFパワーアンプリニアライゼーションに対するマキシムの方式はRFプリディストーションと呼ばれ、プリディストーションアルゴリズムの一部をデジタルドメインからアナログ/RFドメインに再分配します。この実装は、アナログプリディストーションと呼ばれることもあります。以下の文では、マキシムのRFパワーリニアライザ(RFPAL)を構成するアーキテクチャ上の主要なブロックを特定し、それらの機能を説明します。

図7に示す補正プロセッサブロックのほぼ全体がRF/アナログ回路を使用して実装されているため、同等のデジタル実装と比較して、超低消費電力、広帯域幅性能、および小型回路が実現します。

図7. RFPALのアーキテクチャとファンクションブロックダイアグラム

図7. RFPALのアーキテクチャとファンクションブロックダイアグラム

補正プロセッサブロックで、RFIN信号は直交位相シフタ(QPS)を通ってIおよびQ信号[RFIN(I), RFIN(Q)]が生成され、複数の場所で使用されます。RFIN(I)およびRFIN(Q)のエンベロープ電力は、非リニア変換を適用することによって偶数次IM項を生成するために、ボルテラ級数ジェネレータブロックでも使用されます。PAのメモリ効果を補正するために、4種類の係数のセットが0ns~300nsの範囲の遅延項(τ1~τ4)に基づいて生成されます(図8a)。すべての係数は、独自の適応アルゴリズムを実行するデジタルコントローラによって個別に制御および生成されます。個々のメモリ項について、偶数次の補正関数が加算された後、QPSによって生成された対応するRFIN(I)およびRFIN(Q)信号と乗算されます。この最後の乗算によって、偶数次項が奇数次項に変換されます。次に、IおよびQ補正信号が加算され、RFOUTの補正信号が生成されます。補正プロセッサは完全360°モジュレータを使用しているため、あらゆる位相および振幅のIM項を補正可能です。デジタルコントローラはRFFBフィードバック信号から得られる情報に基づいて係数を適用し、コスト関数(誤差量)を最小化する最適な係数のセットが見つかるまで補正プロセッサにそれらの係数を適用します。

図8a. ボルテラ級数ジェネレータのブロック図

図8a. ボルテラ級数ジェネレータのブロック図

図8b. ボルテラ級数の式

図8b. ボルテラ級数の式

FFTや誤差量生成などの機能はデジタル信号処理(DSP)を使用する実装が適しているため、モニタブロックは大部分がデジタルドメインで実装されます。図7に示すように、モニタ入力にはDSPが使用するスペクトル分解されたデータを提供するために必要となるダウンコンバータおよびADCが含まれています。RFFB ADCを内蔵しているのは、外付けのダウンコンバータおよびADCを使用するDPDと大きく異なる点です。マキシム独自の分割方式によって、デジタル方式の柔軟性を維持しつつアナログ方式の簡素さと低消費電力を提供する、モノリシックで高集積のソリューションが実現しました。

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型番 タイトル ドキュメントの種類 日付

システム効率および消費電力計算器

Select linearization method(s) to compare with RFPAL:        
Input Parameters RFPAL DPD Backoff Units
Max Pout (Antenna)          
Min Pout (Antenna)          
Component IL between PA and antenna               dB
PA (final stage) Efficiency at       %
PA (final stage) Efficiency at       %
Linearization Power Consumption       W
Support components power consumption       W
Pre-Amp + Driver Power Consumption       W
Total Power Consumption (w/o final stage PA)       W
System Efficiency at Max Pout (Antenna) =       %
System Power Consumption at Max Pout (Antenna) =       W
Cost of energy (cost per kWhour)       $
Annual operation cost at       $
Incremental annual cost of operation compared to RFPAL       $
__________________

 

 

Efficiency & Power Consumption Results

 
 
 

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マキシムのRFパワーリニアライザ(RFPAL)は、特に60W以下の平均出力パワーで動作するPAと組み合わせて使用する場合に、デジタルプリディストーション(DPD)ソリューションが対応していなかった隙間を埋めます。この場合、システムの消費電力、ソリューションコスト、および実装面積が、最終段の効率および補正性能と同様に重要です。10W以下で動作するPAの場合はA/AB級アンプが主流ですが、マキシムのソリューションはシステム効率を2倍~4倍に向上させることによって、PAをバックオフで動作させる方法に対する非常に魅力的な代替となります。

アプリケーション:

  • シングルおよびマルチキャリア:WCDMA、CDMA
  • シングルキャリア、マルチキャリア/マルチ規格:EVDO、TD-SCDMA、WiMAX、HSDPA、LTE、およびTD-LTE
  • 従来のキャビネット内BTSアンプ、リモート無線ユニット(RRU)、タワーマウント型パワーアンプ、マイクロ波リピータ、ブースターアンプ、マイクロセル、ピコセル、企業用フェムトセル、分散アンテナシステム(DAS)、適応型アンテナシステム(AAS)、およびMIMOシステム

主な製品仕様:

  • アンプ:A/AB級、ドハティ
  • 平均PA出力パワー:500mW~60W
  • プロセス:LDMOS、GaAs、GaN、およびInGaP

マイクロ波ポイントツーポイント(P2P)

スマートフォン、タブレット、および大量のデータを使用するその他の機器の急速な普及にともなって、オペレータ各社は音声中心のネットワークからデータ中心のネットワークへの迅速な移行に取り組んでいます。データサービスおよびアプリケーションにおける需要の急増に追随することが、常に課題となっています。新たに配備される機器でさえ、データレートと帯域幅の要件の増大によって、ワイヤレス/マイクロ波バックホールリンクを含めて逼迫の徴候を示しています。モバイルバックホールのボトルネックの増大には、これらの要件の変化に適応するマイクロ波ポイントツーポイント(P2P)機器で対処することができます。オペレータ各社はマイクロ波P2P機器の配備を拡大しながら、キャリアクラスの信頼性と、設備投資および運用コストの削減も期待しています。

マキシムは、機器メーカーとオペレータ両方の最も厳しい要件を満たすことができるRFPALデバイスを提供します。このデバイスは、広範囲の中間周波数、変調方式、動作条件、および信号特性にわたって動作可能で、ほぼ任意の出力周波数で動作するマイクロ波アンプを効果的にリニアライズし、効率とリニアリティの向上を含むプリディストーションの完全な利点を提供します。

主な製品仕様:

  • 変調方式:QPSK、64-QAM~1024-QAM、CDMA、OFDM、その他
  • 瞬時信号帯域幅:最大60MHz
  • 中間周波数(IF):225~3800MHz
  • ピーク-平均比(PAR):4~11dB

汎用RF PAリニアライゼーション

最近の通信規格は、トランスミッタのシステム設計に独自の要件を課しています。広帯域幅、高効率、マルチキャリア、マルチ規格などのアプリケーション要件と、スペクトル放射マスク(SEM)、ビットエラーレート(BER)、隣接チャネル漏洩電力比(ACLR)または隣接チャネル電力比(ACPR)などを始めとする特定の信号要件の組合せによって、不要なシステム設計のトレードオフが生じる場合があります。

マキシムのRFPALファミリは、これまで複雑さおよび/またはコストが原因でプリディストーションソリューションを利用することができなかった小規模ニッチアプリケーションを含む、広範囲のアプリケーションに対応します。RFPALは独自のRFIN / RFOUTアーキテクチャを備え、高リニアリティを必要とするほぼすべてのトランスミッタシステムに容易に統合できます。RFPALを使用することによって、設計エンジニアはバックオフで動作するほぼすべてのアンプのリニアリティ性能を維持もしくは改善しつつ、効率を大幅に高めることができます。言い換えると、バックオフで動作している既存のA/AB級アンプをRFPALを使用したものに置き換える場合、トレードオフはありません。実際に、RFPALを使用することによって、低効率のA/AB級トランスミッタをドハティ構成に変換し、より高い効率を達成することも可能です。

標準アプリケーション:

  • PAリニアライゼーションを必要とする任意のアプリケーション
  • ソフトウェア無線(SDR)、HMS/モバイル軍用通信およびホワイトスペース
  • 公共安全モバイルおよびポータブルトランスミッタ
  • 顧客宅内機器

主な製品仕様:

  • 広範囲のPAおよび出力パワーレベル:
  • アンプ:A/AB級、ドハティ
  • 平均PA出力パワー:500mW~600W以上
  • プロセス:LDMOS、GaAs、GaN、およびInGaP